散水式噴頭水滴特性試驗(yàn)研究

朱興業(yè),錢兆*,劉俊萍,張愛英,魏巧

(1. 江蘇大學(xué)國(guó)家水泵及系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心,江蘇 鎮(zhèn)江 212013;2. 江蘇潤(rùn)果農(nóng)業(yè)發(fā)展有限公司,江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

噴灌是節(jié)水灌溉中一種有效的灌溉方式,噴頭是噴灌系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備之一.噴頭水力性能可用于評(píng)價(jià)噴頭性能和噴灑效果,其水力性能好壞將直接影響灌溉系統(tǒng)的噴灑效果[1].水力性能通常由噴頭噴灑水量分布、噴灑打擊強(qiáng)度等指標(biāo)綜合決定.

ZHANG等[2]建立了一個(gè)模擬移動(dòng)式灑水車動(dòng)態(tài)分布仿真模型,可模擬水量分布規(guī)律和均勻系數(shù),研究工作壓力、噴頭安裝高度和不同組合方式時(shí)的不同組合間距對(duì)噴頭性能的影響.ZHANG等[3]在低壓正弦振蕩水流下使用Nelson D3000噴水器研究了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)噴頭的噴頭強(qiáng)度和沖擊動(dòng)能強(qiáng)度分布,發(fā)現(xiàn)正弦振蕩水流可有效增加噴灑范圍,同時(shí)降低噴頭強(qiáng)度和沖擊動(dòng)能強(qiáng)度的峰值.GARCA等[4]研究了文丘里渦流雙流體渦流噴嘴在室溫下的性能,結(jié)果表明液滴直徑與液體流速呈正相關(guān)、與空氣流速呈負(fù)相關(guān).ZHANG等[5]使用粒子圖像測(cè)速技術(shù)和CFD軟件分析研究了固定噴盤式噴頭在無風(fēng)條件下的能耗,得到了高工作壓力可能不會(huì)導(dǎo)致更大能耗的結(jié)論.LILAN等[6]引入Sauter平均直徑建立了液滴尺寸分布的試驗(yàn)平均數(shù)學(xué)模型,通過仿真研究了噴嘴霧化場(chǎng)中的液滴尺寸分布和液體流量、液體溫度和噴嘴壓力對(duì)外混合霧化噴嘴霧化粒徑分布的影響.ZHANG等[7]通過數(shù)值模擬和試驗(yàn)相結(jié)合的方法,研究了噴嘴的入口壓力、噴嘴間距比對(duì)噴頭性能的影響.

高飛等[8]通過試驗(yàn)分析、理論計(jì)算和綜合評(píng)價(jià)相結(jié)合的方法,探究等效直徑、安裝高度、工作壓力對(duì)霧化噴頭水力性能的影響規(guī)律,定量分析得到安裝高度、工作壓力、等效直徑、組合間距與組合均勻性系數(shù)之間的關(guān)系.王新坤等[9]利用單因素?cái)?shù)值模擬方法確定具有良好脈沖效果的主副噴嘴直徑設(shè)計(jì)區(qū)間,再以進(jìn)口流量和射程為評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了9因素4水平正交試驗(yàn),確定了主副噴嘴直徑的設(shè)計(jì)區(qū)間及各流道結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)噴頭性能的影響.史永杰等[10]對(duì)射流式噴頭的水量分布進(jìn)行分析擬合,探究了不同工況對(duì)噴灌水量的影響規(guī)律.張晴等[11]設(shè)計(jì)了一種新型水藥一體化噴頭,研究了在中低壓情況下噴頭內(nèi)流道結(jié)構(gòu)對(duì)水力性能的影響規(guī)律.

綜上可知,目前對(duì)噴頭的研究主要集中在搖臂式、射流式和負(fù)壓反饋式噴頭上,對(duì)散水式噴頭的研究較少.文中以散水式噴頭為研究對(duì)象,采用2DVD視頻雨滴譜儀測(cè)量不同工況下不同出水口當(dāng)量直徑的水滴直徑、水滴速度及水滴動(dòng)能,以探究噴頭水力性能的變化規(guī)律,為散水式噴頭的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供一些理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 噴頭結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)選用的散水式噴頭實(shí)物與結(jié)構(gòu)如圖1所示．

圖1 噴頭實(shí)物與結(jié)構(gòu)

噴頭包括噴芯和噴體2個(gè)結(jié)構(gòu),噴芯的圓心柱前端配有圓柱螺旋壓縮彈簧,自右端經(jīng)過旋轉(zhuǎn)進(jìn)入噴體內(nèi)部左端的螺紋部分進(jìn)行組合,出水口處角度為120°.噴體的結(jié)構(gòu)參數(shù)有噴體入水口的直徑、出水口直徑r等.噴芯的結(jié)構(gòu)參數(shù)有螺紋螺距T、槽型流道的寬度和分布、出水口角度α和出水口縫隙寬度δ等.出水口處的縫隙寬度δ由噴芯旋入噴體的角度和螺紋螺距T決定,出水口當(dāng)量直徑De為與出水面積等面積圓的直徑,可通過改變出水口縫隙寬度即改變出水口當(dāng)量直徑以調(diào)節(jié)噴頭噴灑效果.

出水口縫隙寬度δ的計(jì)算式為

(1)

式中:T為一種噴芯結(jié)構(gòu)確定的螺紋螺距,mm.

出水口面積Sout計(jì)算如下:

Sout=πrδ,

(2)

(3)

結(jié)合式(1)—(3)可得出水口當(dāng)量直徑De(mm)為

(4)

式中:r為設(shè)計(jì)的噴體出水口直徑,mm,結(jié)構(gòu)確定后即為定值.

該噴頭的額定工作壓力為0.3 MPa,入水口當(dāng)量直徑為4 mm,De為4.88 mm的額定流量為1.52 L/min,De為5.98 mm的額定流量為1.81 L/min,噴頭射程為1.5 m.

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在江蘇大學(xué)的無風(fēng)噴灌實(shí)驗(yàn)大廳進(jìn)行,噴嘴安裝高度為1.33 m,噴頭工作壓力p分別設(shè)置為0.20,0.25,0.30,0.35和0.40 MPa,出水口當(dāng)量直徑De為4.88和5.98 mm.在噴頭出流狀態(tài)穩(wěn)定后,使用2DVD視頻雨滴譜儀在噴頭射程內(nèi)對(duì)水滴的粒徑、重量和速度進(jìn)行測(cè)量,在每個(gè)測(cè)量點(diǎn)收集不少于1 000個(gè)數(shù)據(jù).試驗(yàn)裝置如圖2所示.

圖2 試驗(yàn)裝置

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

1.3.1 水滴直徑

水滴直徑的計(jì)算方法采用水重加權(quán)平均法.計(jì)算式[12]為

(5)

(6)

式中:D為測(cè)試點(diǎn)水滴加權(quán)平均直徑,mm;Ki為直徑為di的水滴質(zhì)量,kg;i為水滴直徑為d時(shí)對(duì)應(yīng)的質(zhì)量級(jí)級(jí)名;di為第i組水滴的直徑,mm;ρw為水的密度,kg/m3;ni為直徑為di的水滴數(shù)量.

1.3.2 水滴速度

使用2DVD視頻雨滴譜儀測(cè)量水滴的水平速度vr和垂直速度vt,水滴平均速度va采用個(gè)數(shù)加權(quán)平均法,其計(jì)算式為

(7)

(8)

式中:j為速度分級(jí)名;o為水滴速度分級(jí)的級(jí)數(shù);nj為第j個(gè)級(jí)數(shù)統(tǒng)計(jì)的水滴數(shù)量;vj為第j個(gè)級(jí)數(shù)的水滴速度,m/s.

1.3.3 水滴動(dòng)能

1) 單個(gè)水滴動(dòng)能.由不同測(cè)量點(diǎn)處的水滴速度和直徑,可通過公式計(jì)算出單個(gè)水滴的動(dòng)能.但在測(cè)量區(qū)域內(nèi),相同直徑的水滴數(shù)量較多且速度差異較大,故使用直徑相同的水滴速度的平均值進(jìn)行計(jì)算,也即單個(gè)水滴動(dòng)能也采取平均值.其計(jì)算式[13-15]為

(9)

式中:Esd為水滴直徑為d時(shí)的單個(gè)水滴動(dòng)能,J;vdi為水滴直徑為d的速度,m/s;Wi為速度為vdi的水滴數(shù)量.

2) 單位體積動(dòng)能.單位體積動(dòng)能是指在測(cè)量范圍內(nèi),各個(gè)測(cè)點(diǎn)處的水滴動(dòng)能總和與其總體積的比值,計(jì)算式[16]為

(10)

式中:Esk為單位體積動(dòng)能,J/L;m為水滴直徑粒子直徑級(jí)數(shù).

3) 動(dòng)能強(qiáng)度.動(dòng)能強(qiáng)度是指在單位時(shí)間內(nèi)測(cè)量點(diǎn)處的動(dòng)能,水滴動(dòng)能強(qiáng)度K(W/m2)由噴灌強(qiáng)度、水滴速度和水滴直徑?jīng)Q定,計(jì)算式[17]為

(11)

式中:hj為距噴頭不同距離處的噴灌強(qiáng)度,mm/h.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 水滴直徑變化規(guī)律

圖3為出水口當(dāng)量直徑分別為4.88和5.98 mm的噴頭在工作壓力為0.20～0.40 MPa下的水滴平均直徑da分布百分比τd.由圖可知,水滴平均直徑百分比最大值對(duì)應(yīng)的水滴平均直徑隨著壓力增大而減小,水滴平均直徑在不同壓力下的分布形狀相似且呈正態(tài)分布.出水口當(dāng)量直徑為4.88 mm的水滴平均直徑百分比最大值在各個(gè)壓力下均遠(yuǎn)大于出水口當(dāng)量直徑為5.98 mm的.出水口當(dāng)量直徑為4.88,5.98 mm時(shí),水滴平均直徑分別集中分布在0.73～1.38,0.85～1.53 mm,這說明在出水口當(dāng)量直徑較小時(shí),其水滴平均直徑較小,分布更集中,效果也更好.

圖3 水滴平均直徑分布百分比

圖4為出水口當(dāng)量直徑為4.88和5.98 mm的噴頭水滴平均直徑累計(jì)頻率f分布圖.由圖可知,隨著水滴直徑增大,水滴累計(jì)頻率逐漸增大,增大的幅度逐漸減小至0.噴頭在兩種不同出水口當(dāng)量直徑下的水滴直徑累計(jì)分布規(guī)律曲線的變化趨勢(shì)相同,但出水口當(dāng)量直徑為4.88 mm時(shí)水滴平均直徑變化范圍更小.這說明當(dāng)出水口當(dāng)量直徑越小,水滴分布可能更集中,能使噴頭在工作時(shí)具有更好的均勻性.

圖4 水滴平均直徑累計(jì)頻率分布

圖5為出水口當(dāng)量直徑為4.88和5.98 mm的噴頭在壓力為0.20～0.40 MPa時(shí)的水滴平均直徑徑向分布圖,l為水滴距噴頭的距離.

圖5 水滴平均直徑徑向分布

由圖5可知,隨著距噴頭距離增大,水滴平均直徑也相應(yīng)增大,且增大的幅度也逐漸增大.距噴頭距離相同時(shí),水滴平均直徑隨工作壓力增大而減小.同一個(gè)工作壓力、相同距噴頭距離時(shí),出水口當(dāng)量直徑為5.98 mm時(shí)的水滴平均直徑大于出水口當(dāng)量直徑為4.88 mm的.水滴至噴頭距離相同時(shí),水滴直徑隨出水口當(dāng)量直徑增大而減小,并且水滴平均直徑在離噴頭較近處差異較小,隨著距噴頭距離增大則差異增大.

2.2 水滴速度變化規(guī)律

圖6為水滴速度百分比分布圖,噴頭出水口當(dāng)量直徑為4.88和5.98 mm時(shí)的水滴速度百分比τv分布圖相似,均接近正態(tài)分布,且平均速度最大值隨壓力增大而增大.

圖6 水滴速度百分比分布

圖7為水滴平均速度徑向分布圖.

圖7 水滴平均速度徑向分布

由圖7可知,在不同出水口當(dāng)量直徑下的水滴平均速度隨著距噴頭距離增大而增大,兩者呈指數(shù)分布.同一個(gè)工作壓力、相同距噴頭距離時(shí),出水口當(dāng)量直徑為5.98 mm時(shí)的水滴平均速度小于出水口當(dāng)量直徑為4.88 mm的.在同一距噴頭距離下,水滴平均速度隨工作壓力增大而減小,且減小的幅度越來越小.這說明在距噴頭距離相同時(shí),壓力對(duì)水滴平均速度的影響隨壓力增大而減小.

圖8為單個(gè)水滴速度隨水滴平均直徑分布圖.

圖8 水滴平均速度與水滴平均直徑關(guān)系

由圖8可得,2種出水口當(dāng)量直徑的噴頭在5種不同工作壓力下的水滴平均速度與水滴平均直徑分布呈對(duì)數(shù)關(guān)系,且出水口當(dāng)量直徑為4.88 mm的水滴平均速度大于出水口當(dāng)量直徑為5.98 mm的.在相同水滴直徑、不同壓力下的速度差異不明顯,且水滴平均直徑越小時(shí)差異越小,在小于0.5 mm時(shí)近似相等.這說明水滴平均速度和水滴平均直徑之間的關(guān)系受工作壓力的影響較小.

2.3 水滴動(dòng)能變化規(guī)律

根據(jù)式(9)計(jì)算噴頭出水口當(dāng)量直徑為4.88和5.98 mm時(shí)在不同測(cè)點(diǎn)處的單個(gè)水滴動(dòng)能,如圖9所示.

圖9 單個(gè)水滴動(dòng)能分布

由圖9可知,單個(gè)水滴動(dòng)能隨水滴平均直徑增大呈指數(shù)分布,隨工作壓力增大呈先增大后減小的趨勢(shì).在出水口當(dāng)量直徑為4.88 mm時(shí)的最大單個(gè)水滴動(dòng)能0.34 J出現(xiàn)在壓力為0.25 MPa、水滴平均直徑為2.44 mm 時(shí);在出水口當(dāng)量直徑為5.98 mm 時(shí)最大單個(gè)水滴動(dòng)能0.49 J出現(xiàn)在壓力為0.3 MPa、水滴平均直徑為2.63 mm時(shí).

根據(jù)式(10)計(jì)算出在不同測(cè)點(diǎn)處噴頭出水口當(dāng)量直徑為4.88和5.98 mm的噴頭單位體積動(dòng)能,如圖10所示.

圖10 單位體積動(dòng)能徑向分布

由圖10可知,2種不同出水口當(dāng)量直徑的噴頭在距離噴頭0～0.7 m時(shí),單位體積動(dòng)能維持在較低水平,波動(dòng)較小;在大于0.7 m后,單位體積動(dòng)能開始迅速增大,且單位體積動(dòng)能最大值隨著壓力增大呈先增大后減小的趨勢(shì).

根據(jù)式(11)計(jì)算噴頭出水口當(dāng)量直徑為4.88和5.98 mm在不同測(cè)點(diǎn)處的動(dòng)能強(qiáng)度,如圖11所示.

圖11 動(dòng)能強(qiáng)度徑向分布

由圖11可知,動(dòng)能強(qiáng)度最大值隨壓力增大而先增大后減小.不同出水口當(dāng)量直徑的噴頭在所有工作壓力下的動(dòng)能強(qiáng)度變化趨勢(shì)相同,都是在距噴頭距離0.1～0.6 m內(nèi)基本保持不變,隨后逐漸增大,在接近射程末端時(shí)達(dá)到最大值再突然減小至0.出水口當(dāng)量直徑為5.98 mm的噴頭最大動(dòng)能強(qiáng)度大于出水口當(dāng)量直徑為4.88 mm的,這說明出水口當(dāng)量直徑越大其最大動(dòng)能強(qiáng)度也可能越大.

3 結(jié) 論

1) 出水口當(dāng)量直徑較小時(shí),其水滴平均直徑較小,分布更集中,水滴平均直徑變化范圍也更小.

2) 同一工作壓力和相同距噴頭距離時(shí),出水口當(dāng)量直徑越小其水滴平均速度可能越大.通過分析水滴的平均速度、平均直徑和壓力得到了水滴平均速度和水滴平均直徑之間的關(guān)系受工作壓力影響較小的結(jié)論.

3) 出水口當(dāng)量直徑越大,單個(gè)水滴動(dòng)能、單位體積動(dòng)能和動(dòng)能強(qiáng)度在所有工作壓力下也越大.水滴動(dòng)能強(qiáng)度隨距噴頭距離增大呈先增大后迅速減小的規(guī)律,其最大值變化規(guī)律與單個(gè)體積動(dòng)能隨工作壓力的變化規(guī)律相同.